БЕЛКИ И ПОЛИПЕПТИДЫ
Белкииграют исключительно важную роль в живой природе. Жизнь немыслима без различныхпо строению и функциям белков. Белки — это биополимеры сложного строения, макромолекулы(протеины) которых, состоят из остатковаминокислот, соединенных между собой амидной (пептидной) связью. Кроме длинных полимерных цепей,построенных из остатков аминокислот (полипептидныхцепей), в макромолекулу белка могут входить также остатки или молекулы другихорганических соединений. На одном кольце каждой пептиднойцепи имеется свободная или ацилированная аминогруппа, на другом — свободная или амидированная карбоксильная группа.
Конеццепи с аминогруппой называется М-концом, конеццепи с карбоксильной группой — С-концом пептидной цепи. Между СО-группой одной пептиднойгруппировки и NH-группой другой пептиднойгруппировки могут легко образовываться водородные связи.
Группы,входящие в состав радикалаRаминокислот, могут вступать во взаимодействие друг с другом, с постороннимивеществами и с соседними белковыми и иными молекулами,образуя сложные и разнообразные структуры.
Вмакромолекулу белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных другс другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу (дисульфидные мостики, образуемые остатками цистеина). Химическую структурупептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.
Дляпостроения пространственной структуры белка пептидныецепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, котораязакрепляется водородными связями, возникающими между пептиднымигруппировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородныхсвязей пептидные цепи закручиваются в спирали, стремяськ образованию максимального числа водородных связей и соответственно кэнергетически наиболее выгодной конфигурации.
Впервыетакая структура на основе рентгеноструктурногоанализа была обнаружена при изучении главного белка волос и шерсти—кератина Полингом американскимфизиком и химиком...Ее назвалиа-структурой или а-спиралью.На один виток спирали приходится по3,6—3,7остатков аминокислот. Расстояние между витками около 0,54 миллиардной доле метра.Строение спирали стабилизируется внутримолекулярнымиводородными связями.
Прирастяжении спираль макромолекулы белка превращается в другую структуру, напоминающуюлинейную.
Нообразованию правильной спирали часто мешают силы отталкивания или притяжения,возникающие между группами аминокислот, или стерическиепрепятствия, например, за счет образования пирролидиновыхколец пролина и оксипролина,которые заставляют пептидную цепь резкоизгибаться и препятствуют образованию спирали на некоторых ее участках. Далееотдельные участки макромолекулы белка ориентируются в пространстве, принимая внекоторых случаях достаточно вытянутую форму, а иногда сильноизогнутую, свернутуюпространственную структуру.
Пространственнаяструктура закреплена вследствие взаимодействиярадикаловRиаминокислот с образованием дисульфидных мостиков,водородных связей, ионных пар или других химических либо физических связей. Именно пространственная структура белка определяетхимические и биологические свойства белков.
Взависимости от пространственной структуры всебелки делятся на два больших класса: фибриллярные (они используются природой как структурный материал) и глобулярные (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.).
Полипептидныецепи фибриллярных белков имеют форму спирали, котораязакреплена расположенными вдоль цепи внутримолекулярными водородными связями.В волокнах фибриллярных белков закрученные пептидныецепи расположены параллельно оси волокна, оникак бы ориентированы относительно друг друга, располагаются рядом, образуя нитевидныеструктуры и имеют высокую степень асимметрии. Фибриллярные белки плохо растворимыили совсем нерастворимы в воде. При растворении в воде они образуют растворывысокой вязкости. К фибриллярным белкамотносятся белки,входящие в состав тканей и покровных образований. Это миозин—белок мышечных тканей; коллаген, являющийся основойседиментационных тканей и кожных покровов;кератин, входящий в состав волос, роговых покровов, шерсти и перьев. К этомуже классу белков относится белок натурального шелка — фиброин, вязкая сиропообразная жидкость, затвердевающаяна воздухе в прочную нерастворимую нить. Этот белок имеетвытянутые полипептидные цепи, соединенные друг с другом межмолекулярнымиводородными связями, что и определяет, по-видимому, высокую механическуюпрочность натурального шелка.
Пептидныецепи глобулярных белков сильно изогнуты, свернуты и часто имеют форму жесткихшариков—глобул.Молекулы глобулярных белков обладают низкойстепенью асимметрии, они хорошо растворимы в воде, причем вязкость их растворов невелика. Это прежде всего белкикрови—гемоглобин, альбумин, глобулин и др.
Следуетотметить условность деления белков на фибриллярные иглобулярные, так как существует большое число белков с промежуточнойструктурой.
Свойствабелка могут сильно изменяться при замене одной аминокислоты другой. Этообъясняется изменением конфигураций пептидныхцепей и условий образования пространственной структуры белка, которая вконечном счете определяет его функции в организме.
СОСТАВ И СВОЙСТВА БЕЛКОВ
Числоаминокислотных остатков, входящих в молекулы отдельных белков, весьма различно:в инсулине 51, в миоглобине — около 140. Поэтому и относительная молекулярнаямасса белков колеблется в очень широких пределах — от 10 тысяч до многихмиллионов На основе определения относительной молекулярной массы иэлементарного анализа установлена эмпирическая формула белковой молекулы — гемоглобина крови (C738H1166O208S2Fe)4Меньшая молекулярная масса может быть у простейшихферментов и некоторых гормонов белковой природы. Например, молекулярная массагормона инсулина около6500, а белка вирусагриппа— 320 000 000. Вещества белковойприроды (состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью), имеющие относительно меньшуюмолекулярную массу и меньшую степень пространственной организациимакромолекулы, называются полипептидами. Провести резкую границу междубелками и полипептидами трудно. В большинствеслучаев белки отличаются от других природных полимеров (каучука, крахмала,целлюлозы), тем, что чистый индивидуальный белок содержит только молекулыодинакового строения и массы. Исключением является, например, желатина, всоставе которой входят макромолекулы с молекулярной массой12 000— 70000.
Строениембелков объясняются их весьма разнообразные свойства. Они имеют разнуюрастворимость: некоторые растворяются в воде, другие — в разбавленных растворахнейтральных солей, а некоторые совсем не обладают свойством растворимости(например, белки покровных тканей). Прирастворении белков в воде образуетсясвоеобразная молекулярно-дисперсная система (раствор высокомолекулярноговещества). Некоторые белки могут быть выделены в виде кристаллов (белоккуриного яйца, гемоглобина крови).
Белкииграют важнейшую роль в жизнедеятельности всех организмов. При пищеварениибелковые молекулы перевариваются доаминокислот, которые, будучи хорошо растворимы в водной среде, проникают вкровь и поступают во все ткани и клетки организма. Здесь наибольшая частьаминокислот расходуется на синтез белковразличных органов и тканей, часть—на синтезгормонов, ферментов и других биологически важных веществ, а остальные служаткак энергетический материал. Т.е. белки выполняюткаталитические (ферменты), регуляторные (гормоны), транспортные (гемоглобин, церулоплазмини др.), защитные (антитела, тромбин и др.) функции
Белки— важнейшие компоненты пищи человека икорма животных. Совокупность непрерывнопротекающих химищеский превращений белков занимает ведущее место в обмене веществ организмов. Скорость обновления белков уживых организмов зависит от содержания белков в пище, а также его биологическойценности, которая определяется наличием и соотношением незаменимых аминокислот
Белкирастений беднее белков животного происхождения по содержанию незаменимыхаминокислот, особенно лизина, метионина, триптофана. Белки сои и картофеля поаминокислотному составу наиболее близки белкам животных. Отсутствие в корменезаменимых аминокислот приходит к тяжёлым нарушениям азотистого обмена.Поэтому селекция зерновых культур направлена, в частности, и на повышениекачества белкового состава зерна. КЛАССИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
Белкиподразделяются на две большие группы: простые белки, или протеины, и сложные белки, или протеиды.
Пригидролизе протеинов в кислом водном растворе получают только а-аминокислоты. Гидролиз протеидов дает кроме аминокислоти вещества небелковой природы (углеводы, нуклеиновые кислоты и др.); это соединения белковых веществ с небелковыми.
Протеины.
Альбуминыхорошо растворяются в воде.Встречаются в молоке, яичном белке и крови.
Глобулиныв воде не растворяются,но растворимы в разбавленных растворах солей. К глобулинам принадлежатглобулины крови и мышечный белок миозин.
Глутелинырастворяются только в разбавленных растворах щелочей. Встречаются в растениях.
Склеропротеины—нерастворимые белки. К склеропротеинам относятся кератины, белок кожи исоединительных тканей коллаген, белок натурального шелка фиброин.
Протеидыпостроены из протеинов,соединенных с молекулами другого типа (простетическимигруппами).
Фосфопротеидысодержатмолекулы фосфорной кислоты, связанные в виде сложного эфира у гидроксильной группы аминокислоты серина. К ним относится вителлин—белок, содержащийся в яичном желтке, белокмолока казеин.
Гликопротеидысодержатостатки углеводов. Они входят в состав хрящей, рогов, слюны.
Хромопротеидысодержатмолекулу окрашенного вещества, обычно типа порфина.Самым важным хромопротеидом являетсягемоглобин— переносчик кислорода, окрашивающийкрасные кровяные тельца.
Нуклеопротеиды—протеины, связанные снуклеиновыми кислотами. Они представляют собой очень важные с биологическойточки зрения белки—составные частиклеточных ядер. Нуклеопротеиды являются важнейшей составной частью вирусов— возбудителей многих болезней.
Определение строения белков
Определениестроения белков является очень сложной задачей,но за последние годы в химии белка достигнутызначительные успехи. Помимо методов получения высокомолекулярных синтетическихполипептидов, построенных из большого числамолекул одинаковых а-аминокислот, разработаны методысинтеза смешанных полипептидов с заранее заданным порядком чередования различных а-аминокислотпутем постепенного их наращивания.
Полностьюопределена химическая структура нескольких белков: гормона инсулина,антибиотика грамицидин, фермента, расщепляющего нуклеиновые кислоты, рибонуклеазы, гормона аденокортикотропина,белка вируса табачной мозаики, миоглобина,гемоглобина и др. Частично определена структура некоторых других белков.
Изучениехимического строения белка начинают с определения аминокислотного состава. Дляэтого используется главным образом метод гидролиза, т. е.нагревание белка с6—10 моль/л соляной кислотой при температуре100—110°С. Получают смесь а-аминокислот, из которой можно выделитьиндивидуальные аминокислоты.
Например,полный гидролиз одного трипептида приводит к образованию трех аминокислот:
Дляколичественного анализа этой смеси в настоящее время применяют ионообменную ибумажную хроматографию. Сконструированыспециальные автоматические анализаторы аминокислот.
Итак,гидролиз белков, по существу, сводится к гидролизу полипептидныхсвязей. К этому же сводится и процесс переваривание.
Разработанытакже ферментативные методы ступенчатого расщепления белка. Некоторые ферментырасщепляют макромолекулу белка специфически— только в местах нахождения определеннойаминокислоты. Так получают продукты ступенчатого расщепления— пептоны и пептиды,последующим анализом которых устанавливают их аминокислотный состав.
Значительно болеесложным является определение последовательности амидокислотв пептидных цепях белка. С этой целью преждевсего определяютN-и С-концы полипептидныхцепей, при этом решаются два вопроса—идентифицируютсяконцевые аминокислотыи определяется число пептидных цепей, входящих в состав макромолекулбелка. Для определения N-концов пептидной цепи получаютN-производное концевой аминокислоты пептида, которое идентифицируют после полногогидролиза пептида. С-концы пептидных цепей определяются избирательным отщеплениемконцевой аминокислоты с помощью специфического фермента — карбоксипептидазы и последующей идентификацией этойаминокислоты. Если макромолекула белка состоит из двух (или более) пептидныхцепей, как в случае инсулина, то избирательно разрушают дисульфидныемостики окислением (например, над-муравьинойкислотой) и затем полученные полипептидыразделяют путем фракционирования на ионитах.Для определения последовательности расположения аминокислот в каждой полипептидной цепи ее подвергают частичномукислотному гидролизу и избирательномурасщеплению с помощью ферментов, каждый из которых разрывает полипептидную цепь только в определенных местахприсоединения какой-то одной определеннойаминокислоты или одного типа аминокислот (основных, ароматических). Таким образом получают нескольконаборов пептидов: которые разделяют, используяметоды хроматографии и электрофореза. Строениекоротких пептидов определяют последовательным отщеплением и идентификациейконцевых аминокислот упомянутыми вышеметодами, а большие пептиды подвергаютдополнительному расщеплению с последующим разделением и определением строения. Затем путем сложного сопоставления структуры различных участков пептиднойцепи воссоздают полную картину расположения аминокислот в макромолекуле белка.Работа эта очень трудоемкая, и для определения химической структуры белкатребуется несколько лет.
Дляизучения пространственной структуры белка, последовательностисоединения аминокислот в том или ином белке используютразличные физико-химические методы, из которыхнаиболее эффективными оказались метод ступенчатого расщепления и рентгеноструктурный анализ.
Рентгеноструктурныйанализ — метод исследованияатомной структуры в-ва с помощью дифракции рентгеновских лучей. Рентгеновскиелучи взаимодействуют с электронными оболочками атомов. В результате этоговзаимодействия происходит дифракция рентгеновских лучей и на фотопленкеполучается дифракционная картина — пятна или окружности. Из дифракционной картины при помощи сложных расчетовустанавливают распределение электронной плотности в-ва, а по ней — род атомов иих расположение.
Внастоящее время установлено, что большинство белков состоят из 22 качественноразных а-аминокислот.
Приобразовании молекулы белка или полипептида а-аминокислоты могут соединяться в различнойпоследовательности. Возможно огромное число различных комбинаций. Так же как,пользуясь 20...30 буквами алфавита, можно написать текст любой длины, так и из20 а-аминокислот можно образовать больше1018 комбинаций. Существование различного типа полипептидовпрактически неограничено.
Определение наличия белка:
Дляидентификации белков и полипептидов используютспецифические реакции на белки. Например:
а) биуретоваяреакция
б) ксантопротеиноваяреакция (появление желтого окрашивания при взаимодействии с онцентрированнойазотной кислотой, которое в присутствииаммиака становится оранжевым; реакция связана с нитрованиемостатков фенилаланина и тирозина);
в) реакция Миллона(образование желто-коричневого окрашиванияпри взаимодействии сHg(NÎ3)2+HNО3+HNO2
г) нингидриновая реакция
д)принагревании белков со щелочью в присутствии солей свинца выпадает черный осадокPbS,чтосвидетельствует о присутствии серусодержащихаминокислот.
е) сильноенагревание вызывает не только денатурацию белков, но и разложение их с выделениемлетучих продуктов, обладающих запахом жженых перьев.
Белкиобычно образуют коллоидные растворы. Многие реагенты вызывают осаждение белков— коагуляцию, которая может быть обратимой инеобратимой. Например, этанол и ацетон коагулируютбелки, но эта коагуляция является обратимой. В чистой воде коагулированные этимспособом белки снова образуют коллоидный раствор. Обратимую коагуляциювызывают также растворы некоторых солей(MgSO4(NH4)2SO4Na2SO4).Необратимую коагуляцию(денатурацию) белка вызывает кипячение, а также действие минеральных кислот,пикриновой кислоты, солей тяжелых металлов, танина.
Синтез пептидов
Синтезпептидов связан с рядом существенных трудностей. Прежде всего, необходимыоптические активные изомеры а-аминокислот. Кроме того, требуются специальныеприемы для осуществления последовательного образования пептидных связей внужной нам последовательности а-аминокислот:защита аминогрупп, активация карбоксильныхгрупп, отщепление защитных групп, множество специальных реагентов.
Нограндиозная работа по анализу и синтезу белков в последнийпериод революционизировалась благодаря использованию высокоэффективных автоматических приборов. Кним относят синтезаторы — установки для синтеза, круглосуточно работающие безчеловека по заданной программе. Это одно из проявлений компьютеризации вхимии. Создание таких автоматов стало возможным после появления новыхплодотворных химических идей. Синтезаторы появились после предложенияамериканским химиком P. Meрифилдом нового принципа — синтеза на полимерномносителе, обладающем определенными функциональными группами.
Такой способ исключает необходимость выделения промежуточныхпродуктов на каждой стадии синтеза и легко подвергается автоматизации.
Изыскивая пути исусственного получения белка, ученыеинтенсивно изучают механизм его синтеза в организмах. Ведь здесь онсовершается в «мягких» условиях, удивительно четко и с большой скоростью.(Молекула белка в клетке образуется всего за 2—3 с.) Выяснено, что синтезбелков в организме осуществляется с участием других высокомолекулярных веществ—нуклеиновыхкислот. В настоящее время человек уже глубоко познал механизм биосинтеза белкаи приступил к искусственному получению важнейших белков на основе тех же принципов, которые столь совершенно отработаны впроцессе развития органического мира.
Кроме этого, промышленное получение белков осуществляетсяпосредством микробиологического синтеза. Оказалось, что, размножаясь насоответствующей питательной среде, некоторыемикроорганизмы могут создаватьобильную белковую массу. На от ходах гидролизного производства спирта издревесины, например, выращиваюткормовые дрожжи для животноводства.Использование продуктовмикробиологическогосинтеза в животноводствепозволяет значительно повышать его продуктивность.
Искусственноеполучение белка было актуальным вопросом уже в прошлом столетии, когда сталоясно, что белки построены из а-аминокислот с помощью амидных (пептидных)связей. Первые синтезы низкомолекулярных пептидов связаны с именем немецкогохимика Э. Фишера. В 1903—1907 гг. Э. Фишер синтезировал полипептид, состоящийиз 19 остатков аминокислот.